hidrógeno y pilas de combustible -...
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Hidrógenoy
Pilas de combustible
Víctor M. Orera
Zaragoza, 14 de mayo de 2007
Hidrógeno y Pilas de Combustible
- El problema energético
- Hidrógeno. ¿La solución?.
- Pilas de combustible.
Victor M. OreraInstituto de Ciencia de Materiales de AragónC.S.I.C.-Universidad de ZaragozaE-mail: orera@unizar.es
Ibercaja 2007
Ibercaja 2007
Desde que el Hombre descubre el fuego la utilización de energía ha estado íntimamente asociadaal desarrollo socioeconómico
Ibercaja 2007
0 2 4 6 8
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
Japón, Alemania, GB, FranciaEEUU
SueciaItalia
España
Brasil
China
India
PIB
($)
/hab
itan
te
Energía (Toe)/habitante.año
www.nationmaster.com
Energía y Desarrollo
¡Hay una correlación directa entre bienestar y consumo de energía
El problema de los combustibles fósiles:
a) Escasez de recursos y alta concentración geopolítica de los yacimientos
b) Emisión de contaminantes: Efecto invernadero+
Muy baja eficiencia energética de los sistemas actuales
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Pero¡Obtenemos el 87.5% del petróleo, carbón y gas natural!
Año 2004 Petróleo Gas Carbón
Producción 3.868 2.422 2.732
Reservas 161.900 179.530 910.000
Años** 40.5 67 165
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Fósiles: Reservas vs. producción
Reservas probadas de recursos energéticos minerales con su contenido energético aproximado en millones de Tep* en el 2004 calculado a partir de los datos de la referencia . Estimación en años de la duración de estos recursos.
Statistical Review of World Energy, 2005
Con Uranio y fisión para 300 años con tecnología actual y 3000 con nueva generación de reactores
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La quema masiva de combustibles fósiles produce enormes emisiones de gases a la atmósfera.
Estos gases tardan mucho tiempo en reabsorberse y producen cambios en el clima
Efecto invernadero y cambio climáticoEfecto invernadero y cambio climático
Atomic Energy Agency U.K.
Calentamiento global
CO2 Otros gases
55%
T.P. 100 añosCombustión CarbónPetróleo, Gas, Deforest. NOx CH4, HC Clorofluoroc.
5% 20% 20%
T.P. 150 añosFertilizantesComb. Fos.
T.P. 10 añosPantanosGanaderíaMinería
T.P. 75 añosAerosolesEspumasRefrigerantes
Ibercaja 2007
¿Hay cambio climático?¿Hay cambio climático?
Ibercaja 2007
Resultados de los estudios paleo-climáticos en los que se observa el efecto del polvo y CO2atmosférico en la temperatura de la tierra desde hace 400.000 años
http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/antarctica/vostok
Si, hay cambio climáticoSi, hay cambio climático
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Incremento de la concentración de gases invernadero a partir de la revolución industrial en comparación con las variaciones históricas incluidos los periodos de las glaciaciones
Petit JR et al., Nature,1999;399:429
• La producción de petróleo barato tendrá un máximo
• Gas natural durará unos 62 años
• Fin de vida util de centrales nucleares
• Hacia fin de siglo ΔT ≈ 2.5 - 6 ºC
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Hacia el año 2020
¡Tenemos que asimilar que los recursos energéticos son finitos y que que buscar alternativas sostenibles!
¿Soluciones?¿Soluciones?
Soluciones sociopolíticas:Medidas de ahorro energético, modelo de sociedad,....
Soluciones tecnológicas:
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Incrementar el rendimiento de los motoresEn transporte de superficie la eficiencia < 25%. En USA de los 12 M barriles de petróleo diarios que se consumen solo se aprovechan 3 en generar movimiento
Sustituir los combustibles fósiles por otras fuentes de energía RenovablesUn LDV EURO4 arroja 12.8 kg de CO2/100km. Gas natural-hidrógeno comprimido-PEMFC 8.3g/100km. (Zero Emission Vehicles)
¿Renovables?¿Renovables?
Sistemas Estacionarios:
Eólica: + de 12 GW instalados, hasta el 40% de la electricidad. Fuente discontínua y dispersa
Solar: Potencial ilimitado que necesita de fuertes inversiones. 260 x 106 MWh energía eléctricaProducción fotovoltaica media de unos 50 kWh/m2 año+´s de 6.000 km2 de superficie instalada.
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¿Solar térmica?Planta Abengoa 50MW
¿Y el transporte?¿Y el transporte?
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solar
eólica
petróleo
hidraúlica
gas natural
Futuro combustible para red urbana
20%
40%
20%
10%10%
Otros
Petróleo
Combustible actual red urbana
5%
95%
Objetivos del plan CUTE (Transporte urbano europeo limpio. Año 2020)
PILAS DE COMBUSTIBLE
Funcionando con Hidrógeno
¿Por qué Hidrógeno?
VENTAJAS
H2 + 1/2O2 H2O + 142 MJ/kg
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- Energía limpia
- Elevada Energía Química (HC 47 MJ/kg )
- Muy abundante pero en forma de complejos (H2O)
- Producción mediante electricidad procedente de renovables
o energía solar
- Tecnología bastante conocida (Producción anual 0.55BNm3)
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Hidrógeno Gasolina Metano
Poder calorífico (kJ/g)
145 43 50
Densidad (gas) kg/Nm3
0.090 0.72
Densidad (líquido) kg/l
0.071 0.73
Dens. energética (MJ/m3)
10.8 31.5 (l) 35.8
Límites inflamabilidad (%)
4 - 75 1 - 8 5 - 15
Límites detonación (%)
18 - 59 1 - 3 6 - 14
Emisiones (mgCO2/kJ)
0 80 55
Propiedades del Hidrógeno
Riesgos en la automoción
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Ibercaja 2007
Ventajas e inconvenientes de las distintas tecnologías de producción de H2.
TECNOLOGÍA
¿Cómo producir el hidrógeno que necesitaríamos?
VENTAJAS INCONVENIENTES
Electrolisis Tecnología conocida, H2de alta pureza, renovables
Caro a RT, a desarrollar para alta T
Reformado Bien conocida, bajo coste con gas natural
Secuestro CO2 caro
Gasificación de carbón o biomasa
Usa biomasa, hidrocarburos pesados,
carbón, etc.
H2 muy impuro y necesidad de secuestrar el
CO2
Termolisis usando energía solar o nuclear
Potencial producción a gran escala, tecnología
limpia
Tecnología compleja y no disponible actualmente
Biología: algas y bacteriasPotencial uso masivo pero
en fase incipiente de estudio
Poca eficiencia,
Producción de Hidrógeno directa de la energía solar
Fotocatálisis en TiO2 Fotobiológico
A la superficie de la tierra llegan 150.000 Terawatios (0.4 kW/m2)Fotosíntesis aprovecha 100 TW. Consumo actual 10 TW.
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¿Cómo almacenar el hidrógeno que necesitaríamos?
TECNOLOGÍA VENTAJAS INCONVENIENTES
Almacenamiento a alta presión > 250 bares Tecnología bien conocida Baja densidad energética
Seguridad
Hidrógeno líquido Aceptable autonomía y tiempo de operación
El licuado consume el 30-40 % de la energía
Hidrocarburos + reformado
Peso comparable al de la gasolina
Volumen y peso del reformador
Hidruros metálicos-LaNi5: excelente a
temperatura ambiente-Mg2Ni: buena capacidad
de almacenamiento
-Bajo almacenamiento, sufre desproporcionación-Cinética lenta, incluso con activación a 400 ºC
Materiales carbonosos,C activo, fulerenos Ligeros, huecos, porosos Bajísimos rendimientos
Difícil escalado
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Coste de suministro del H2$/GJ
Combustible 20032003 20202020
Gasolina/GasóleoGasolina/Gasóleo 66--88 1010--1515
Gas NaturalGas Natural 33--55 55--77
HH2 2 de GN con secuestro COde GN con secuestro CO22 88--1010 77--1111
HH2 2 de carbón con secuestro COde carbón con secuestro CO22 1010--1313 88--1111
HH2 2 de biomasade biomasa 1212--1818 1010--1818
HH2 2 de electricidad aerogeneradorde electricidad aerogenerador 1515--2525 1717--2323
HH2 2 de electricidad fotovoltaicade electricidad fotovoltaica 2525--3030 4747--7575
HH2 2 de electricidad cogeneraciónde electricidad cogeneración 1010--2525 1010--2525
HH2 2 de electricidad nuclearde electricidad nuclear 1515--2020 1515--2020
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International Energy Agency (2003)
Hipótesis: Eficiencia FC: 80%, motor eléctrico 80%, total 64%Electrolizador: 83%Consumo en transporte: 0.35 MTEP/díaEficiencia ICE: 20%Necesita unas 20,000 Tm H2/día y para generarlos por electrolísis
unos 760 GWh/día y 400,000 Tm agua/dia
Esto requeriría por ejemplo multiplicar por 10 la capacidad de generación de electricidad por energía eólica ( 12 GW de potencia instalada actual) o dedicar un 25% de los cultivos a crear biomasa- Algunos argumentan en favor de la energía nuclear:(P.M. Grant, Nature 424, 129)
Ejemplo:Ejemplo:¿Cuanto H2 necesitaríamos en España?
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¿Que es una Pila de Combustible?¿Que es una Pila de Combustible?Son dispositivos electroquímicos que convierten de forma
continua la energía química en eléctrica (y algo de calor) con alta eficiencia y baja emisión de contaminantes.
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Placa solar
Electrolizador hidrógeno
oxígeno
Depósitode oxígeno
Depósitode hidrógeno
H2O
oxíg
eno
hidrógeno Pila decombustible
ELECTROLIZADOR yPILA DE COMBUSTIBLE
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Ventajas
Pequeñas
Limpias
Silenciosas
Adaptables (fácil instalación)
La mayor eficiencia eléctrica
Durabilidad y fiabilidad sin precedentes
Versátiles en cuanto al combustible utilizado
Modulares
Desventajas
Alto coste de entrada al mercado
Tecnología nueva
Carencia estructural
¿Cómo funcionan las FC?¿Cómo funcionan las FC?
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- Transporte- Plantas de energía estacionarias- Sistemas portátiles
- Todos aquellos sistemas que utilizanbaterías eléctricas
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Algunas aplicacionesAlgunas aplicaciones
TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLETIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE
Se caracterizan por el electrolito que usan:
Baja y media temperatura de trabajo < 200°C:
PAFC --------- H3PO4AFC----------- NaOH, KOHPEMFC------- Nafion
Alta temperatura:
SOFC----------YSZMCFC---------Li2CO3, Na2CO3
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CombustiblesCombustibles
líquidos evaporación
Gas natural
Elimina S
H2 + CO
SOFCReformador integ
MCFCReformador integ
PAFC(CO<5%)
PEMFC(CO<10 ppm)
500-1000°C
650 °C
500 a 800°C
H2 + CO2
oxidación CO
300 a 500°C 200 °C
80 °C- eficiencia
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PEMFCPEMFC
T = 30 – 100 ºC
- Electrolito: Nafion (membrana polimérica)
ánodo: H2 → 2H+ + 2e-
cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O
- Eficiencia: 40-50% / Potencia: Hasta 250 kW
- PROBLEMA: Tolera CO2, pero no CO (veneno para el catalizador de Pt)
- Combustible: H2, reformado de hidrocarburos (CH3OH, gas natural...)
- Aplicaciones: Automoción, baterías recargables...
((Proton Proton Exchange Exchange Membrane Fuel CellsMembrane Fuel Cells))
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Ibercaja 2007
PEM: Utilización en transportePEM: Utilización en transporte
PEMFC: AutomociónPEMFC: Automoción
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DMFCDMFC
- Son PEMFC o alcalinas que usan mezcla de metanol y agua
ánodo: CH3OH + H2O → 6H+ + 6e- + CO2 (PEMFC)cátodo: 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
- PROBLEMA: Eficiencia baja, hay que optimizar la carga del Pt
- Aplicaciones: Sector transporte, aplicaciones portátiles y móviles.
((Direct Methanol Fuel CellsDirect Methanol Fuel Cells))
- Hoy, 20 compañías en el mundo están desarrolando DMFCs- Smart Fuel Cell GmbH (Germany) Toshiba y- NEC: portátil PC y PDA con DMFC
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DMFC: DMFC: Smart Fuel Cell GmbHSmart Fuel Cell GmbH
- Suministrador energético portátil limpio, seguro, eficiente y silencioso (<40 dB)- Cubre demanda energética de 4 días con 2 Kg de combustible (baterías de plomo ácido requieren 100 Kg) / Consumo: 1.5 l de CH3OH/kW (oper. contínua)- Opera a temperatura ambiente (-20 ºC – 40 ºC)- Dimensiones (mm): 465x290x162 / Peso: 10 Kg (incluído combustible)
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DMFC: NEC (portátil)DMFC: NEC (portátil)
- Peso portátil + combustible: 2Kg- Peso de la pila (combustible): 900g (300g)- Dimensiones (mm): 270x270x40- Tiempo de operación: 5h (con un cartucho de 300cc)- En el mercado: portátil con PC y 40h de operación por cartucho
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Ibercaja 2007
Otros tipos de Pilas de CombustibleOtros tipos de Pilas de Combustible
AlkalineAlkaline Fuel Fuel CellsCells
(AFC)(AFC)
T = 60 – 80 ºC
Electrolito: NaOH / KOH
H2 y O2 purísimos
Aplicaciones Espacio y
militares
Proyectos Geminis & Apollo
PhosphoricPhosphoric AcidAcid Fuel Fuel CellsCells
(PAFC(PAFC)
T = 150 – 250 ºC
Electrolito: H3PO4 (líquido)
H2 (tolera CO2 y 1% de CO)
Aplicaciones estacionarias
US DoD
MoltenMolten Carbonate Fuel Carbonate Fuel CellsCells
(MCFC)(MCFC)
T = 650 ºC
Electrolito: Li2CO3 y K2CO3
soportados en matriz cerámica
H2, CO, CH4,
hidrocarburos reformados
Aplicaciones estacionarias
Fuel Cell Energy @ IZAR
SOFCSOFCT = 500 - 1000 ºC
- Electrolito: YSZ (conductor de iones O2-)
ánodo: H2 + O2- → H2O + 2e-
cátodo: ½ O2 + 2e- → O2-
- Eficiencia: 55% (75% en cogeneración) / Potencia: Hasta MW
- Combustible: Mezcla de H2 / CO / CH4
- Aplicaciones: Amacenamiento eneregía y generadores estacionarios,
Electrolisis del agua sin o con gas natural
((Solid Solid Oxide Oxide Fuel CellsFuel Cells))
- Siemens Westinghouse: 15 unidades de demostración instalados- Sulzer Hexis: “HXS 1000 premiere” (sist. 1 kW residencial) (400 pre-series)- Canadian-based Fuel Cell Technologies: sistemas de 5 kW
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SOFC: SOFC: Siemens Siemens WestinghouseWestinghouse
- 100 kW SOFC system de cogeneración en Westervoort (17000 horas) y en Essen (3700 horas) (Holanda)
- Eficiencia: 46%
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Investigación SOFC en Aragón (IInvestigación SOFC en Aragón (I.C.M.A.).C.M.A.)
V.M. OreraR.I. Merino
J.I. PeñaP.B. Oliete
R. CampanaM.A. Laguna-Bercero
A. Larrea
Mini-Tubulares Sinterizaciónláser
Ánodostexturados
Eutécticos cerámicospara ánodos
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Ánodos texturados por fusión láser: Nanoeutecticos(Colaboración con Ikerlan S. Coop.)
Gran densidad de TPB´sEstructura acanalada orientadaAlta estabilidad microestructural
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PilasPilas SOFC SOFC MiniTubularesMiniTubulares((ContratoContrato con con CopreciCopreci S. Coop. S. Coop. -- PROFIT)PROFIT)
0 100 200 300 400 500 600 7000
100
200
300
400
Pow
er (m
W·c
m2 )
Intensity (mA/cm2)
850ºC0.2l/min 850ºC0.5l/min 750ºC0.2l/min
ASR = 0.3 Ωcm2 (T ≈ 850 ºC) Objetivo:
Stack SOFC
2.5 kWe
400 $/kW
40.000 h
ÁnodoÁnodo :400:400--500 µm500 µm
Electrolito 10 Electrolito 10 -- 20 µm20 µm
Cátodo: 8 µm (LSM + YSZ)Cátodo: 8 µm (LSM + YSZ) Fuel: 4% H2
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SinterizadoSinterizado láserláser: SOFC Tubular : SOFC Tubular soportesoporte metálicometálico((contratocontrato con con FagorFagor S. Coop. S. Coop. –– CENIT DEIMOS)CENIT DEIMOS)
Anodo
Soporte metálico
Airbus España, AmesBiogás Fuel Cell
Carbogen, Cesa, CopreciEads-Casa, Embega, InjusaSener, Zigor, Fagor, Cegasa
YSZ
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Las perspectivas son delicadas:
- La población mundial actual es alrededor de 6.500 millones y se incrementa unos 350 millones/año. - En el mundo desarrollado una persona consume en promedio 100 kWh /día.
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Conclusiones
“No heredamos la Tierra de nuestros padres sino que se la tomamos prestada a nuestros hijos” Saint Exupery
Una reflexión:
“La luz del sol que nos llega a la Tierra en solo 24 horas contiene más energía que la de todo el petróleo que hemos consumido hasta el presente...”
Una esperanza:
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